KR101229991B1 - Simultaneous measuring sensor system of LSPR and SERS signal based on optical fiber - Google Patents

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박재형
정대홍
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단국대학교 산학협력단
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Abstract

일 실시 예에 있어서, 광섬유 기반의 센서 시스템은 일끝단의 단면에 금속 나노 입자가 배치되는 광섬유를 적어도 하나 이상 구비하는 센서부, 상기 센서부에 대하여 단색의 입사광을 제공하는 광원, 상기 센서부와 상기 광원 사이에서 빛을 전달시키는 광도파관, 상기 센서부에서 상기 금속 나노 입자와 반응한 출력광을 제공받아 상기 출력광의 일부분은 반사시키고, 상기 출력광의 나머지 부분은 통과시킴으로써 상기 출력광을 분리시키는 광필터(optical filter); 및 상기 분리된 출력광의 상기 일부분 및 상기 나머지 부분을 각각 수렴하는 측정부를 포함한다.In one embodiment, the optical fiber-based sensor system includes a sensor unit having at least one optical fiber in which metal nanoparticles are disposed at one end of the optical fiber, a light source providing monochromatic incident light to the sensor unit, and the sensor unit; An optical waveguide for transmitting light between the light sources, and an output light provided by the sensor unit to react with the metal nanoparticles to reflect a portion of the output light, and pass the remaining portion of the output light to separate the output light Optical filters; And a measuring unit for converging the portion and the remaining portion of the separated output light, respectively.

Description

광섬유 기반 LSPR 및 SERS신호의 동시 측정 센서 시스템{Simultaneous measuring sensor system of LSPR and SERS signal based on optical fiber} Simultaneous measuring sensor system of LSPR and SERS signal based on optical fiber
본 발명은 대체로 광섬유 기반 센서 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 광섬유를 기반으로 하여 LSPR 및 SERS 신호를 측정하는 센서 시스템에 관한 것이다.The present invention relates generally to optical fiber based sensor systems, and more particularly to sensor systems for measuring LSPR and SERS signals based on optical fibers.
최근, 바이오칩과 같이 생체표적물질을 검출 및 분석하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 종래의 경우, 생체표적물질의 검출 방법으로는 전기영동법, 질량분석법, 형광분석법 등을 사용하였으나, 각각의 분석법에는 단점이 존재하였다. 즉, 전기영동법의 경우, 재현성이 상대적으로 좋지 않고 알칼리성 단백질과 고분자 단백질의 분리가 어려운 점이 있으며, 질량분석법의 경우, 소형화가 어렵고 다수의 시료를 빠르게 분석하기 어렵다는 점이 있다. 형광법의 경우, 모든 생체물질을 형광물질로 표지해야 하는 불편함이 따르며, 형광염료의 가격이 비싸다는 어려움이 있다.Recently, researches for detecting and analyzing biotargeting materials such as biochips have been actively conducted. In the conventional case, as the detection method of the biotarget material, electrophoresis, mass spectrometry, fluorescence analysis, etc. were used, but each analysis method had disadvantages. That is, in the case of electrophoresis, there is a relatively poor reproducibility and it is difficult to separate the alkaline protein and the polymer protein, and in the case of mass spectrometry, it is difficult to miniaturize and to analyze a large number of samples quickly. In the case of the fluorescence method, it is inconvenient to label all biological materials with fluorescent materials, and there is a difficulty in that the price of fluorescent dyes is high.
따라서, 상술한 분석법에 대한 대안으로 분광학적 기법을 적용하는 라만 산란법(Raman Scattering)과 표면 플라즈몬 공명법(Surface Plasmon Resonance)법이 학계 및 업계의 주목을 받고 있다. 특히, 라만 산란법 중 한 분야인 표면 증강 라만 산란(Surface Enhanced Raman Scattering, 이하 SERS)법과 표면 플라즈몬 공명법 중의 한 분야인 국부화 표면 플라즈몬 공명(Localized Surface Plasmon Resonance, 이하 LSPR)법은 생체표적물질을 감지하는 바이오칩에 적용이 활발히 시도되고 있다.Therefore, Raman Scattering and Surface Plasmon Resonance, which use spectroscopic techniques as an alternative to the above-described analytical methods, have attracted attention from academics and the industry. In particular, one of the Raman scattering methods, Surface Enhanced Raman Scattering (SERS) and Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR), which is one of the surface plasmon resonance methods, is a biotarget material. It is actively attempted to apply to biochips that detect.
라만 산란법이란, 분자의 진동 에너지보다 큰 에너지의 빛을 분자에 조사하여 이에 대한 산란광을 관찰하는 방법을 말한다. 상기 분자의 진동 에너지보다 큰 에너지의 빛이 조사될 때 상기 분자와 상호작용을 함으로써, 상기 산란광은 상기 입사광보다 분자 진동 에너지만큼 잃거나 얻게 된다. 이러한 현상은 상기 분자의 진동 에너지가 고유한 것이기 때문에 가능한 것이다. SERS이란 분자가 금속 나노 구조의 주변에 존재할 경우, 그 분자의 라만 신호가 크게 증가하는 현상을 의미한다. 이러한 SERS가 발견된 이후, 이를 다양한 물질 검출법으로의 응용에 적용하게 되었다. 한국공개특허 2006-0094521에서는 표면 증강 라만 분광법에 의하여 뉴클레오티드 신호를 증가시켜 핵산 시퀀싱을 하는 방법 및 시스템을 개시하고 있다. 또, 한국공개특허 2006-0056576호에서는 은 나노 입자에 DNA 혼합물을 흡착시키고 SERS법을 적용하여 DNA를 광학 검출하는 방법을 개시하고 있다.The Raman scattering method refers to a method of irradiating a molecule with light of energy larger than the vibration energy of the molecule and observing scattered light thereto. By interacting with the molecule when light of energy greater than the vibrational energy of the molecule is irradiated, the scattered light is lost or obtained by molecular vibrational energy than the incident light. This is possible because the vibrational energy of the molecule is inherent. SERS refers to a phenomenon in which the Raman signal of the molecule is greatly increased when the molecule is in the vicinity of the metal nanostructure. Since the discovery of this SERS, it has been applied to various material detection methods. Korean Laid-Open Patent Publication No. 2006-0094521 discloses a method and system for nucleic acid sequencing by increasing nucleotide signals by surface enhanced Raman spectroscopy. In addition, Korean Laid-Open Patent Publication No. 2006-0056576 discloses a method of optically detecting DNA by adsorbing a DNA mixture to silver nanoparticles and applying the SERS method.
한편, 표면 플라즈몬 공명법에 있어서, 표면 플라즈몬이란 금속박막과 유전체의 경계면을 따라 진행하는 표면 전자기파를 의미하며, 표면 플라즈몬 공명 현상은 금속박막 표면에서 일어나는 전자들의 집단적인 진동을 양자화한 것을 뜻한다. 그리고, 표면 플라즈몬이 여기되는 현상을 표면 플라즈몬 공명이라고 한다. 표면 플라즈몬 공명법은 상술한 광학적 원리를 이용하여 분자들 간의 상호작용을 계측하거나 반응의 진행상황을 실시간 측정할 수 있다. 표면 플라즈몬 공명법 중의 한 분야인 LSPR은 금속나노입자에 전자가 구속되어 집단적인 진동을 일으키는 것을 의미한다. LSPR은 금속 나노입자의 종류에 따라서 표면 플라즈몬 흡수 밴드의 세기나 파장이 달라지며, 금속 나노입자가 어떤 물질에 놓여 있는가에 따라서 표면 플라즈몬 파장이 달라지는 특성을 가지고 있다. 여기서의 상기 금속은 가시광선 영역에서 표면 플라즈면 공명 조건을 갖는 금, 은 등의 귀금속을 지칭한다. 또한, 금속 나노 입자의 크기, 모양, 분포에 따라 표면 플라즈몬 파장이 달라지는 것으로 알려져 있다. 한국공개특허 2009-0087594에서는 금 나노입자를 유리판에 고정화시킨 후 항원-항체 반응을 발생시키고, LSPR 현상을 이용하여 생체물질을 진단하는 방법을 개시하고 있다. Meanwhile, in the surface plasmon resonance method, the surface plasmon means surface electromagnetic waves traveling along the interface between the metal thin film and the dielectric, and the surface plasmon resonance phenomenon is a quantization of the collective vibration of electrons occurring on the metal thin film surface. And the phenomenon that surface plasmon is excited is called surface plasmon resonance. Surface plasmon resonance can measure the interaction between molecules or measure the progress of a reaction in real time using the optical principle described above. LSPR, a field of surface plasmon resonance, means that electrons are constrained to metal nanoparticles, causing collective vibration. LSPR has the characteristics that the surface plasmon absorption band intensity or wavelength varies depending on the type of metal nanoparticles, and the surface plasmon wavelength varies depending on which material the metal nanoparticles are placed in. The metal herein refers to precious metals such as gold, silver and the like having surface plasmid resonance conditions in the visible region. In addition, the surface plasmon wavelength is known to vary depending on the size, shape, and distribution of the metal nanoparticles. Korean Patent Laid-Open Publication No. 2009-0087594 discloses a method of generating an antigen-antibody reaction after immobilizing gold nanoparticles on a glass plate and diagnosing a biomaterial using LSPR.
상술한 바와 같이, SERS 또는 LSPR법은 생체 표지 물질을 검출하는 바이오 센서에 적극적으로 채용되기 시작하였으며, 이에 대한 업계의 관심은 점증하고 있는 추세이다.As described above, the SERS or LSPR method has been actively adopted in the biosensor for detecting the biomarker, the industry interest in this is increasing trend.
상기의 기술적 과제를 이루기 위한 본 출원의 일 측면에 따른 광섬유 기반의 센서 시스템이 개시된다. 상기 광섬유 기반의 센서 시스템은 한 끝단의 단면에 금속 나노 입자가 배치되는 광섬유를 적어도 하나 이상 구비하는 센서부, 상기 센서부에 대하여 단색의 입사광을 제공하는 광원, 상기 센서부와 상기 광원 사이에서 빛을 전달시키는 광도파관, 상기 센서부에서 상기 금속 나노 입자와 반응한 출력광을 제공받아 상기 출력광의 일부분은 반사시키고, 상기 출력광의 나머지 부분은 통과시킴으로써 상기 출력광을 분리시키는 광필터(optical filter); 및 상기 분리된 출력광의 상기 일부분 및 상기 나머지 부분을 각각 수렴하는 측정부를 포함한다.Disclosed is an optical fiber based sensor system according to an aspect of the present application for achieving the above technical problem. The optical fiber-based sensor system includes a sensor unit including at least one optical fiber in which metal nanoparticles are disposed at one end of a cross-section, a light source providing monochromatic incident light to the sensor unit, and a light between the sensor unit and the light source. An optical waveguide for transmitting an optical filter for receiving an output light reacted with the metal nanoparticles in the sensor unit, reflecting a part of the output light and passing the remaining part of the output light to separate the output light. ; And a measuring unit for converging the portion and the remaining portion of the separated output light, respectively.
상기의 기술적 과제를 이루기 위한 본 출원의 다른 측면에 따른 광섬유 기반의 센서 시스템을 이용한 광신호 측정 방법이 개시된다. 상기 광섬유 기반의 센서 시스템을 이용한 광신호 측정 방법에 있어서, 우선, 한 끝단의 단면에 금속 나노 입자가 배치되는 광섬유를 적어도 하나 이상 구비하는 센서부를 준비한다. 상기 센서부에 대하여 단색의 입사광을 제공한다. 상기 센서부에서 상기 금속 나노 입자와 반응한 출력광을 수렴하고, 광필터에 의하여 상기 입사광의 중심 파장에 대응하는 상기 출력광의 상기 일부분을 반사시키고, 상기 입사광의 상기 중심 파장을 제외하는 상기 나머지 부분을 통과시킨다. 상기 중심 파장에 대응하는 상기 출력광의 상기 일부분을 광 검출기를 통하여 수렴하고, 상기 중심 파장을 제외하는 상기 나머지 부분을 분광계를 통하여 수렴한다.Disclosed is an optical signal measuring method using an optical fiber based sensor system according to another aspect of the present application for achieving the above technical problem. In the optical signal measuring method using the optical fiber based sensor system, first, a sensor unit having at least one optical fiber having metal nanoparticles disposed on one end of the optical fiber is prepared. Monochromatic incident light is provided to the sensor unit. The remaining portion converging the output light reacted with the metal nanoparticle in the sensor unit, reflecting the portion of the output light corresponding to the center wavelength of the incident light by an optical filter, and excluding the center wavelength of the incident light Pass it through. The portion of the output light corresponding to the center wavelength converges through a photo detector, and the remaining portion excluding the center wavelength converges through a spectrometer.
본 출원의 일 실시예에 따르면, SERS 및 LSPR 신호의 센서 시스템을 제공함으로써, 단분자 수준의 신호 민감도로 다중표적 동시측정이 가능한 SERS 법 및 높은 신호 민감도로 실시간 정량이 가능한 LSPR 법을 동시에 구현할 수 있다. 이로서, 생체 표적물질을 대상으로 하는 다중 실시간 정량 측정 플랫폼 기술을 구현할 수 있다.According to an embodiment of the present application, by providing a sensor system of the SERS and LSPR signal, it is possible to simultaneously implement the SERS method capable of multi-target simultaneous measurement with a single molecule signal sensitivity and the LSPR method capable of real-time quantification with high signal sensitivity have. As a result, multiple real-time quantitative measurement platform technology for biological target materials can be implemented.
본 출원의 일 실시예에 따르면, 광섬유를 채용함으로써 소형, 간단, 저비용의 측정 시스템을 구현할 수 있으며, 다수의 광섬유를 동시에 사용하고 각각의 광섬유에 서로 다른 표지물질을 형성함으로써 다수의 표적 물질을 동시에 간편한 방법으로 정량하는 기술을 구현할 수 있다.According to one embodiment of the present application, it is possible to implement a small, simple, low-cost measurement system by employing an optical fiber, and simultaneously using a plurality of optical fibers and to form a different labeling material on each optical fiber to simultaneously target a plurality of target materials Quantitative techniques can be implemented in an easy way.
도 1은 본 출원의 일 실시 예에 따르는 광섬유 기반의 센서 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 출원의 일 실시 예에 따르는 광섬유 기반의 센서 시스템의 센서부인 광섬유의 일 단면도이다.
도 3는 본 출원의 일 실시 예에 따르는 광섬유 기반의 센서 시스템을 이용한 광신호 측정 방법을 나타내는 순서도이다.
도 4은 본 출원의 일 실시 예에 따르는 광섬유 기반의 센서 시스템의 측정 방식을 개략적으로 나타내는 도면이다.
1 is a view schematically showing an optical fiber based sensor system according to an embodiment of the present application.
2 is a cross-sectional view of an optical fiber that is a sensor unit of an optical fiber based sensor system according to an exemplary embodiment of the present application.
3 is a flowchart illustrating an optical signal measuring method using an optical fiber based sensor system according to an exemplary embodiment of the present application.
4 is a diagram schematically illustrating a measurement method of an optical fiber based sensor system according to an exemplary embodiment of the present application.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 출원의 실시 예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 본 출원에 개시된 기술은 여기서 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 단지, 여기서 소개되는 실시 예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 출원의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면에서 각 장치의 구성요소를 명확하게 표현하기 위하여 상기 구성요소의 폭이나 두께 등의 크기를 다소 확대하여 나타내었다. 전체적으로 도면 설명시 관찰자 시점에서 설명하였고, 또한, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 출원의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 출원의 사상을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다. 그리고, 복수의 도면들 상에서 동일 부호는 실질적으로 서로 동일한 요소를 지칭한다. Embodiments of the present application will now be described in more detail with reference to the accompanying drawings. However, the techniques disclosed in this application are not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms. It should be understood, however, that the embodiments disclosed herein are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. In the drawings, the width, thickness, and the like of the components are enlarged in order to clearly express the components of each device. The description was made at the point of view of the observer as a whole, and one of ordinary skill in the art may realize the spirit of the present application in various other forms without departing from the technical spirit of the present application. In addition, in the drawings, the same reference numerals refer to substantially the same elements.
또, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, “포함하다”또는 “가지다”등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In addition, singular expressions should be understood to include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise, and the terms “comprise” or “having” should include features, numbers, steps, actions, components, and parts described. Or combinations thereof, it is to be understood that they do not preclude the presence or addition of one or more other features or numbers, steps, operations, components, parts or combinations thereof.
또한, 제1 구성요소가 제2 구성요소에 부착되었다 함은 제1 구성요소가 제2 구성요소에 직접 부착되는 경우뿐만 아니라, 제1 구성요소가 제3 구성요소를 경유하거나 이용하여 제2 구성요소에 부착되는 경우 모두를 포함하는 것으로 해석된다.Further, the attachment of the first component to the second component means that the first component is attached directly to the second component, as well as the second component via or using the third component. When attached to an element, it is interpreted to include all.
도 1은 본 출원의 일 실시 예에 따르는 광섬유 기반의 센서 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이다. 구체적으로 도 1의 (a)는 일 실시 예에 따르는 광섬유 기반의 센서 시스템을 개략적으로 나타내는 모식도이며, 도 1의 (b)는 일 실시 예에 따르는 도 1의 (a)의 센서 시스템에서 센서부의 세부 모식도이다. 도 1의 (c)는 일 실시 예에 따르는 센서 시스템의 센서부의 단면도이다. 도 1의 (a)를 참조하면, 센서(100) 시스템은 센서부(110), 센서부(110)에 입사광을 제공하는 광원(120), 센서부(110) 및 광원(120) 사이에서 빛을 전달시키는 광도파관(130) 및 센서부(110)로부터의 출력광을 분리시키는 광필터(140) 및 분리된 상기 출력광을 각각 수렴하는 측정부(150)를 포함한다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 센서 시스템(100)은 센서부(110)로부터의 상기 출력광을 광필터(140)로 유도하는 광커플러(160) 및 상기 출력광을 집속하는 렌즈부(162)를 더 포함할 수 있다.1 is a view schematically showing an optical fiber based sensor system according to an embodiment of the present application. In detail, (a) of FIG. 1 is a schematic diagram of a sensor system based on an optical fiber according to an embodiment, and FIG. 1 (b) illustrates a sensor unit of the sensor system of FIG. 1 (a) according to an embodiment. It is a schematic diagram in detail. 1C is a cross-sectional view of a sensor unit of a sensor system according to an embodiment. Referring to FIG. 1A, the sensor 100 system includes light between a sensor unit 110, a light source 120 that provides incident light to the sensor unit 110, a sensor unit 110, and a light source 120. It includes an optical waveguide 130 for transmitting the light and the optical filter 140 for separating the output light from the sensor unit 110 and the measuring unit 150 for converging the separated output light, respectively. In some embodiments, the sensor system 100 further includes an optical coupler 160 for guiding the output light from the sensor unit 110 to the optical filter 140 and a lens unit 162 for focusing the output light. It may include.
센서부(110)는 일 끝단의 단면에 금속 나노 입자가 배치되는 광섬유를 적어도 하나 이상 구비한다. 도 1의 (b) 및 (c)를 참조하면, 센서부(110)는 적어도 하나 이상의 광섬유(170, 180, 190)을 포함하며, 적어도 하나 이상의 광섬유(170, 180, 190)의 한 끝단의 단면은 표적물질(176, 186, 196)이 존재하는 외부 환경에 노출된다. 적어도 하나 이상의 광섬유(170, 180, 190)의 각각은 금속 나노 입자(172, 182, 192), 금속 나노 입자(172, 182, 192)에 부착된 표지 물질(174, 184, 194)을 포함하며, 표지물질(174, 184, 194)에는 소정의 표적물질(176, 186, 196)이 부착됨으로써, 센서부(110)가 소정의 표적물질(176, 186, 196)을 감지할 수 있도록 구성된다. 센서부(110)는 표적물질(176, 186, 196)의 부착 여부에 따라 서로 다른 광신호를 출력광의 형태로 방출함으로써, 표적물질(176, 186, 196)을 검출할 수 있도록 한다. 일 실시 예에 있어서, 센서부(110)는 복수의 광섬유(170, 180, 190)를 구비하며, 복수의 광섬유(170, 180, 190)는 서로 다른 표지 물질이 형성된 복수의 금속 나노 입자(172, 182, 192)를 구비할 수 있다.The sensor unit 110 includes at least one optical fiber in which metal nanoparticles are disposed in a cross section of one end thereof. Referring to FIGS. 1B and 1C, the sensor unit 110 includes at least one optical fiber 170, 180, 190, and at least one end of at least one optical fiber 170, 180, 190. The cross section is exposed to the external environment in which the target materials 176, 186, 196 are present. Each of the at least one optical fiber 170, 180, 190 includes metal nanoparticles 172, 182, 192, labeling materials 174, 184, 194 attached to the metal nanoparticles 172, 182, 192, and The labeling materials 174, 184, and 194 are attached to predetermined target materials 176, 186, and 196, such that the sensor unit 110 may detect the predetermined target materials 176, 186, and 196. . The sensor unit 110 detects the target materials 176, 186, and 196 by emitting different optical signals in the form of output light depending on whether the target materials 176, 186, and 196 are attached. In an embodiment, the sensor unit 110 includes a plurality of optical fibers 170, 180, and 190, and the plurality of optical fibers 170, 180, and 190 may include a plurality of metal nanoparticles 172 on which different labeling materials are formed. , 182 and 192 may be provided.
광원(120)은 센서부(110)에 대하여 단색의 입사광을 제공한다. 광원(120)은 일예로서, 레이저 광일 수 있으며, 중심 파장을 중심으로 하여 광의 파장 폭이 좁은 형태를 지니는 다양한 광이 적용될 수 있다. 여기서, 중심 파장이라 함은 단색의 입사광에서 상기 입사광의 색을 결정하는 파장을 의미할 수 있다. 일 예로서, Ar 레이저의 경우, 중심 파장 514.5 nm 인 녹색광의 레이저 광 또는 Nd:YAG 레이저의 경우, 중심 파장 532 nm인 녹색광인 레이저 광을 들 수 있으며, 이때, 상기 레이저들의 녹색광은 상기 중심 파장으로부터의 좌우 폭이 0.5 nm 이내이다. 이 외에도 가시광선 영역의 다양한 중심 파장을 갖는 레이저 광이 목적에 따라 사용될 수 있다. The light source 120 provides monochromatic incident light to the sensor unit 110. As an example, the light source 120 may be laser light, and various light having a narrow wavelength width of light may be applied based on the center wavelength. Here, the center wavelength may refer to a wavelength for determining the color of the incident light in monochromatic incident light. For example, in the case of an Ar laser, laser light of green light having a center wavelength of 514.5 nm or laser light of green light having a center wavelength of 532 nm in the case of an Nd: YAG laser, wherein the green light of the lasers is the center wavelength. The left and right widths from are within 0.5 nm. In addition, laser light having various center wavelengths in the visible light region may be used depending on the purpose.
일 실시 예에 있어서, 중심 파장 λ0 에 해당하는 입사광이 센서부(110)에 입사하는 경우에 센서부(110)는 외부 환경의 표적 물질에 노출된 금속 나노 입자(172, 182, 192)로부터의 반사된 광을 출력광의 형태로 방출할 수 있다. 상술한 바와 같이, 상기 외부 환경의 표적 물질은 표지 물질(174, 184, 194)을 통하여 금속 나노 입자(172, 182, 192)에 부착된다. 상기 반사된 출력광은 상기 입사광이 금속 나노 입자(172, 182, 192)와의 반응을 통해 흡수 및 산란된 결과를 반영할 수 있으며, 중심 파장 λ0에 대응하는 중심 파장 성분 λ1을 가질 수 있다. 측정을 통해, 일 예로서, 중심 파장 λ0 로부터 λ1으로의 변화를 통해 LSPR 신호 분석을 실시할 수 있다. LSPR 신호 분석에 있어서, 금속 나노 입자(172, 182, 192)에 표적물질(174, 184, 194) 부착여부에 따라, 상기 입사광의 중심 파장 λ0 의 변이(shift) 및 강도(intensity) 변화를 출력광에 나타낸다. In one embodiment, when incident light corresponding to the center wavelength λ 0 is incident on the sensor unit 110, the sensor unit 110 may be formed from the metal nanoparticles 172, 182, and 192 exposed to a target material in an external environment. Can be emitted in the form of output light. As described above, the target material of the external environment is attached to the metal nanoparticles 172, 182, and 192 through the labeling materials 174, 184, and 194. The reflected output light may reflect the result of absorption and scattering of the incident light through reaction with the metal nanoparticles 172, 182, and 192, and may have a center wavelength component λ 1 corresponding to the center wavelength λ 0 . . Through measurement, as an example, LSPR signal analysis can be performed through a change from the central wavelength λ 0 to λ 1 . In LSPR signal analysis, the shift and intensity change of the center wavelength λ 0 of the incident light are varied depending on whether the target material 174, 184, 194 is attached to the metal nanoparticles 172, 182, and 192. The output light is shown.
또한, 상기 반사된 출력광은 상기 광섬유(170, 180, 190)으로부터의 산란광 성분을 포함하는데, 상기 산란광 성분은 광섬유(170, 180, 190)에 부착되는 표적물질(174, 184, 194)과 상기 입사광의 상호 작용을 반영할 수 있다. 상기 입사광이 표적물질(174, 184, 194)과 반응하여, 표적물질(174, 184, 194)의 진동에너지로부터 에너지를 얻거나 잃는 반응의 결과로서 산란광이 발생할 수 있다. 즉, 상기 산란광은 표적물질(174, 184, 194)의 부착여부에 따라 SERS 신호의 변화를 발생시키게 된다. In addition, the reflected output light includes scattered light components from the optical fibers 170, 180, and 190, wherein the scattered light components include target materials 174, 184, and 194 attached to the optical fibers 170, 180, and 190. The interaction of the incident light may be reflected. The incident light may react with the target materials 174, 184, and 194, so that scattered light may be generated as a result of a reaction of obtaining or losing energy from the vibration energy of the target materials 174, 184, and 194. That is, the scattered light generates a change in the SERS signal depending on whether the target materials 174, 184, and 194 are attached.
광도파관(130)은 센서부(110)와 광원(120) 사이에서 빛을 전달하는 역할을 수행한다. 광도파관(130)은 일 예로서, 광섬유일 수 있다. 도 1을 참조하면, 광원(120)에서 방출된 광이 광도파관(130)을 통하여 센서부(110)에 입사되고, 센서부(110)에서 방출된 출력광이 광도파관(130)을 통하여 광커플러(160)로 도파될 수 있다. 광커플러(160)는 상기 출력광을 수렴하고 이를 광필터(140)로 전달할 수 있다.The optical waveguide 130 serves to transmit light between the sensor unit 110 and the light source 120. The optical waveguide 130 may be, for example, an optical fiber. Referring to FIG. 1, light emitted from the light source 120 is incident on the sensor unit 110 through the optical waveguide 130, and output light emitted from the sensor unit 110 is transmitted through the optical waveguide 130. Can be guided to coupler 160. The optocoupler 160 may converge the output light and transfer it to the optical filter 140.
광필터(140)는 센서부(110)에서 방출되는 상기 출력광을 제공받아 상기 출력광의 일부분은 반사시키고, 상기 출력광의 나머지 부분은 통과시킴으로써 상기 출력광을 분리시킨다. 일 실시 예에 따르면, 광필터(140)는 상기 입사광의 상기 중심 파장 λ0에 대응하는 상기 출력광에서의 중심 파장 성분 λ1은 반사시키고, 상기 입사광의 상기 중심 파장 λ0에 대응되는 상기 출력광의 상기 중심 파장 성분 λ1을 제외하는 상기 나머지 성분은 통과시킬 수 있다. 일 실시예에 따르면, 선폭이 매우 좁은 라만 산란광과 같은 광의 신호를 효과적으로 얻기 위해서는 컷 오프 단(cut-off edge)이 가파르고 투가/반사 비가 매우 큰 라만 산란 분광용 에지(Edge) 필터 또는 노치(Notch) 필터를 광필터(140)로서 적용할 수 있다. 상기 출력광에서의 중심 파장 성분 λ1은 금속 나노 입자(172, 182, 192)와의 반응으로 생성될 수 있다. 상기 출력광 중에서 중심 파장 성분 λ1을 제외한 광성분은 금속 나노 입자(172, 182, 192)에 부착되는 표적물질(176, 186, 196)과의 반응을 통해 생성되는 산란광 성분일 수 있다. 상기 반사된 출력광의 상기 중심 파장 성분 λ1은 LSPR 분석에 적용되며, 상기 통과된 출력광의 상기 산란광 성분은 SERS 분석에 적용될 수 있다. The optical filter 140 receives the output light emitted from the sensor unit 110 to reflect a portion of the output light, and separates the output light by passing the remaining portion of the output light. According to an embodiment, the optical filter 140 reflects the center wavelength component λ 1 in the output light corresponding to the center wavelength λ 0 of the incident light, and outputs the output corresponding to the center wavelength λ 0 of the incident light. The remaining components except for the central wavelength component λ 1 of light can pass through. According to an exemplary embodiment, an edge filter or notch for Raman scattering spectroscopy having a steep cut-off edge and a very high permeability / reflection ratio may be used to effectively obtain a signal such as a Raman scattered light having a very narrow line width. Notch) filter may be applied as the optical filter 140. The central wavelength component λ 1 in the output light may be generated by reaction with the metal nanoparticles 172, 182, and 192. The light component except for the central wavelength component λ 1 of the output light may be a scattered light component generated through reaction with target materials 176, 186, and 196 attached to the metal nanoparticles 172, 182, and 192. The central wavelength component λ 1 of the reflected output light is applied to LSPR analysis, and the scattered light component of the passed output light can be applied to SERS analysis.
측정부(150)는 일 예로서, 광검출기(152) 및 분광계(154)를 포함할 수 있다. 광검출기(152)는 광필터(140)에서 반사되는 상기 출력광의 상기 일부분을 수렴한다. 구체적으로, 광검출기(152)는 광필터(140)에서 반사되는 상기 출력광의 상기 중심 파장 성분 λ1을 수렴한다. 광검출기(152)에서 수렴하는 상기 출력광의 상기 중심 파장 성분 λ1은 LSPR 정량 분석에 적용될 수 있다.For example, the measurement unit 150 may include a photodetector 152 and a spectrometer 154. Photodetector 152 converges the portion of the output light that is reflected by optical filter 140. Specifically, the photodetector 152 converges the central wavelength component λ 1 of the output light reflected by the optical filter 140. The central wavelength component λ 1 of the output light converging at photodetector 152 may be applied to LSPR quantitative analysis.
분광계(154)는 광필터(140)를 통과하는 상기 출력광의 상기 중심 파장 성분 λ1을 제외하는 상기 나머지 성분을 수렴한다. 구체적으로, 분광계(154)는 광필터(140)을 통과하는 상기 출력광의 산란광 성분을 수렴한다. 분광계(154)에서 수렴하는 상기 출력광의 상기 나머지 성분은 SERS 정성 분석에 적용될 수 있다.The spectrometer 154 converges the remaining components excluding the central wavelength component λ 1 of the output light passing through the optical filter 140. Specifically, the spectrometer 154 converges the scattered light component of the output light passing through the optical filter 140. The remaining components of the output light converging in the spectrometer 154 may be applied to SERS qualitative analysis.
상술한 바와 같이, 본 출원의 일 실시 예에 따르는 광섬유 기반의 센서 시스템에 있어서, 입사광의 중심 파장에 대응하는 출력광의 중심 파장 성분 λ1은 광필터에서 반사되고, 광 검출기를 통해 검출됨으로써 상기 중심 파장 성분 λ1을 가지는 출력광의 세기가 측정될 수 있다. 그리고, LSPR 측정 결과에 의해 나타나는 입사광 대비 출력광의 중심 파장에서의 광세기 변화(λ0 대비 λ1의 세기)를 통해 센서부 내 광섬유 표면에서의 표적 물질과의 반응을 정량적으로 파악할 수 있다. 한편, 출력광의 중심 파장 성분 λ1을 제외한 산란광 성분은 광필터를 통과하여 분광계에서 측정될 수 있다. SERS 측정 결과에 의해 나타나는 상기 산란광 성분의 파장 변화를 통해서는 센서부의 광섬유 표면의 표적 물질과의 반응을 정성적으로 파악할 수 있다. 이와 같이, 본 출원의 일 실시 예에 따르는 광섬유 기반의 센서 시스템에 의하면, 센서부의 광섬유 표면 상에서 발생하는 반응에 대한 LSPR 측정 및 SERS 측정을 단일 광원을 통해 동시에 수행할 수 있다. 또한 다수의 광섬유 상에 서로 다른 표지 물질을 형성하여 측정 시료 내의 다수의 표적 물질을 동시에 다중 측정할 수 있다.As described above, in the optical fiber-based sensor system according to an embodiment of the present application, the central wavelength component λ 1 of the output light corresponding to the center wavelength of the incident light is reflected by the optical filter, and is detected by the photo detector to detect the center. The intensity of the output light having the wavelength component λ 1 can be measured. In addition, it is possible to quantitatively grasp the reaction with the target material on the surface of the optical fiber in the sensor unit through the change in the light intensity (the intensity of λ 1 compared to λ 0 ) at the central wavelength of the output light versus the incident light indicated by the LSPR measurement result. On the other hand, the scattered light component except for the central wavelength component λ 1 of the output light can be measured in the spectrometer by passing through the optical filter. Through the wavelength change of the scattered light component indicated by the SERS measurement result, it is possible to qualitatively grasp the reaction with the target material on the surface of the optical fiber of the sensor unit. As such, according to the optical fiber based sensor system according to the exemplary embodiment of the present application, LSPR measurement and SERS measurement on a reaction occurring on the optical fiber surface of the sensor unit may be simultaneously performed through a single light source. In addition, different labeling materials may be formed on a plurality of optical fibers to simultaneously measure multiple target materials in a measurement sample.
도 1에 도시된 바에 의하면, 본 출원의 일 실시 예에 따르는 광섬유 기반의 센서 시스템은 복수의 광섬유(170, 180, 190)를 포함하는 센서부(110)를 가지며, 센서부(110)는 단일의 광도파관(130), 렌즈부(162), 광필터(140) 및 측정부(150)를 구비하고 있다. 다른 몇몇 실시 예들에 따르면, 광섬유 기판의 센서 시스템은 광섬유(170, 180, 190)에 대응하여, 적어도 둘 이상의 광도파관, 렌즈부, 광필터 및 측정부를 구비할 수 있다. 일예로서, 광섬유(170, 180, 190)의 개수와 동일한 개수의 광도파관, 렌즈부, 광필터 및 측정부를 구비할 수 있다. 이로서, 센서부(110)의 복수의 광섬유(170, 180, 190) 각각에 대하여 서로 다른 표적 물질 검출을 별도로 수행할 수 있다.As shown in FIG. 1, an optical fiber based sensor system according to an embodiment of the present application has a sensor unit 110 including a plurality of optical fibers 170, 180, and 190, and the sensor unit 110 is a single unit. The optical waveguide 130, the lens unit 162, the optical filter 140 and the measuring unit 150 of the. According to some embodiments, the sensor system of the optical fiber substrate may include at least two optical waveguides, a lens unit, an optical filter, and a measurement unit corresponding to the optical fibers 170, 180, and 190. As an example, the number of optical waveguides, lens units, optical filters, and measurement units equal to the number of optical fibers 170, 180, and 190 may be provided. As a result, different target substances may be separately detected for each of the plurality of optical fibers 170, 180, 190 of the sensor unit 110.
도 2는 본 출원의 일 실시 예에 따르는 광섬유 기반의 센서 시스템의 센서부인 광섬유의 일 단면도이다. 도 2의 (a)는 상기 광섬유의 일 단면도의 주사전자현미경 사진이며, 도 2의 (b)는 도 2의 (a)를 확대한 사진이다. 도 2의 (a) 및 (b)를 참조하면, 센서부인 광섬유의 단면에는 복수의 금속 나노 입자가 분산되어 배치될 수 있다. 구체적으로 상기 금속 나노 입자는 금 나노 입자이며, 도시된 바와 같이 상기 광섬유의 절단면 상에 직경 50 nm 정도 크기로 배치될 수 있다. 또한 다른 실시 예들에 있어서는, 나노입자의 크기가 절대적이지 않고 목적에 따라 수 nm 에서 1백 나노미터 이상의 것들이 이용될 수도 있다. 상술한 바와 같이, 상기 금 나노 입장 상에는 복수의 표지 물질이 부착되어 표적 물질의 검출에 적용될 수 있다.2 is a cross-sectional view of an optical fiber that is a sensor unit of an optical fiber based sensor system according to an exemplary embodiment of the present application. FIG. 2A is a scanning electron micrograph of a cross-sectional view of the optical fiber, and FIG. 2B is a magnified photo of FIG. Referring to FIGS. 2A and 2B, a plurality of metal nanoparticles may be dispersed and disposed on a cross section of an optical fiber that is a sensor unit. Specifically, the metal nanoparticles are gold nanoparticles, and as shown, may be disposed on a cut surface of the optical fiber with a diameter of about 50 nm. Also in other embodiments, the nanoparticles are not absolute in size and may be from several nm to one hundred nanometers or more, depending on the purpose. As described above, a plurality of labeling substances may be attached onto the gold nano-entrance to be applied to detection of the target substance.
도 3는 본 출원의 일 실시 예에 따르는 광섬유 기반의 센서 시스템을 이용한 광신호 측정 방법을 나타내는 순서도이다. 도 3을 참조하면, 먼저 310 블록에서, 일끝단의 단면에 금속 나노 입자가 배치되는 광섬유를 적어도 하나 이상 구비하는 센서부를 준비한다. 상기 센서부는 적어도 하나 이상의 광섬유을 포함하며, 각각은 금속 나노 입자, 상기 금속 나노 입자에 부착된 표지 물질 및 상기 표지물질에 부착되어지는 표적물질을 포함한다. 상기 센서부는 상기 표적물질의 부착 여부에 따라 서로 다른 광신호를 출력광의 형태로 방출함으로써, 상기 표적물질을 검출할 수 있도록 한다.3 is a flowchart illustrating an optical signal measuring method using an optical fiber based sensor system according to an exemplary embodiment of the present application. Referring to FIG. 3, first, at 310 block, a sensor unit including at least one optical fiber having metal nanoparticles disposed at one end thereof is prepared. The sensor unit includes at least one optical fiber, each of which includes metal nanoparticles, a label material attached to the metal nanoparticles, and a target material attached to the label material. The sensor unit emits different optical signals in the form of output light depending on whether the target material is attached, thereby detecting the target material.
320 블록에서, 상기 센서부에 대하여 단색의 입사광을 제공한다. 상기 단색의 입사광은 일 예로서, 레이저 광일 수 있으며, 중심 파장을 중심으로 하여 광의 파장 폭이 좁은 형태를 지니는 다양한 파장의 광이 적용될 수 있다.In block 320, a monochromatic incident light is provided to the sensor unit. The monochromatic incident light may be, for example, laser light, and light of various wavelengths having a narrow wavelength width of light with respect to a center wavelength may be applied.
330 블록에서, 상기 센서부로부터 방출되는 출력광을 수렴하고 광필터에 의하여 상기 입사광의 중심 파장에 대응하는 상기 출력광의 일부분을 반사시키고 상기 입사광의 중심 파장을 제외하는 나머지 부분을 통과시킨다. 구체적으로, 상기 입사광의 중심 파장 λ0에 대응하는 상기 출력광의 중심 파장 성분 λ1은 상기 입사광 중 상기 금속 나노 입자와 반응한 성분이며, 상기 출력광의 중심 파장 성분 λ1을 제외하는 출력광의 나머지 부분은 라만산란광 성분일 수 있다.In block 330, the output light emitted from the sensor unit converges and reflects a portion of the output light corresponding to the center wavelength of the incident light by an optical filter and passes the remaining portion excluding the center wavelength of the incident light. Specifically, the center wavelength component λ 1 of the output light corresponding to the center wavelength λ 0 of the incident light is a component reacted with the metal nanoparticles of the incident light, and the remaining portion of the output light except for the center wavelength component λ 1 of the output light. May be a Raman scattered light component.
340 블록에서, 상기 중심 파장에 대응하는 상기 출력광의 일부분을 광 검출기를 통하여 수렴하고, 상기 중심 파장을 제외하는 상기 출력광의 나머지 부분을 분광계를 통하여 수렴한다. 상기 광검출기에서 수렴하는 상기 출력광의 상기 일부분은 LSPR 정량 분석에 적용될 수 있으며, 상기 분광계에서 수렴하는 상기 출력광의 상기 나머지 부분은 SERS 정성 분석에 적용될 수 있다.In block 340, a portion of the output light corresponding to the center wavelength is converged through a photo detector, and a remaining portion of the output light excluding the center wavelength is converged through a spectrometer. The portion of the output light converging in the photodetector may be applied for LSPR quantitative analysis, and the remaining portion of the output light converging in the spectrometer may be applied for SERS qualitative analysis.
도 4은 본 출원의 일 실시 예에 따르는 광섬유 기반의 센서 시스템의 측정 방식을 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 4의 (a)에서는 소정의 세기(Y 축 값)를 가지는 중심 파장이 λ0 인 입사광을 나타낸다. 도 4의 (b)에서는 센서부로부터 방출되는 출력광을 나타낸다. 출력광은 일 예로서, 입사광의 중심 파장 λ0에 대응되며 중심 파장이 λ1인 성분을 가질 수 있다. 출력광은 그와는 별도로 λ2 내지 λ4의 파장을 가지는 성분을 포함할 수 있는 데 이는 라만산란광 성분을 의미한다. 도시되는 λ2, λ3, λ4 는 일 예로서, 3 가지 서로 다른 표적물질에 대응하는 SERS 표지 스펙트럼을 대표할 수 있으며, 실제는 하나의 밴드가 아니라 여러 밴드로 이루어진 스펙트럼이 서로 구별되는 형태임을 뜻한다. 도 4의 (c)에서는 광필터를 통하여, 출력광으로부터 상기 중심 파장 성분 및 상기 산란광 성분이 분리됨을 모식적으로 표현하고 있다. 도 4의 (c-1)에서는 상기 광필터를 통과하는 상기 산란광 성분을 나타내었으며, 도 4의 (c-2)에서는 상기 광필터에서 반사되는 상기 중심 파장 성분을 모식적으로 나타내고 있다. 도 4의 (d)에서는 상기 출력광으로부터 분리된 상기 중심 파장 성분 및 상기 산란광 성분을 분석에 사용하는 예를 모식적으로 표현하고 있다. 도 4의 (d-1)에서는 SERS 분석에 사용하는 예를 나타내고 있다. SERS 분석에서는 센서부에 표적 물질의 출현 및 표적 물질의 성분을 분석하는 정량 분석이 이루어진다. 즉, λ2 내지 λ4의 파장을 가지는 산란광 성분의 파장 변이(shift) 및 강도(intensity) 변화 등을 분석한다. 도 4의 (d-2)는 LSPR 분석에 사용되는 일 예를 나타내고 있다. LSPR 분석에서는 센서부에 표적 물질에 따른 표면 플라즈몬 공명 각도 변화, 반사광의 강도 변화 등을 분석할 수 있다. 또한 상술한 표면 플라즈몬 공명 각도 변화를 시간에 따른 변화로서 관찰할 수 있으며, 이는 도 4의 (d-2)에 센소그램(sensogram)의 형태로 도시될 수 있다. 상기 센소그램에서는 센서부인 광섬유내 금속 나노 입자 상에서 표적 물질이 흡탈착하는 현상을 실시간으로 감지할 수 있다. 본 명세서에서 설명하는 LSPR 분석 및 SERS 분석 방법 및 기법은 공지의 분석 방법에 해당하여 당업자에게 자명한 사항이므로, 자세한 설명은 생략하기로 한다.4 is a diagram schematically illustrating a measurement method of an optical fiber based sensor system according to an exemplary embodiment of the present application. In FIG. 4A, incident light whose central wavelength having a predetermined intensity (Y-axis value) is λ 0 is shown. 4B illustrates output light emitted from the sensor unit. For example, the output light may have a component corresponding to the center wavelength λ 0 of the incident light and having a center wavelength λ 1 . The output light may separately include a component having a wavelength of λ 2 to λ 4 , which means a Raman scattered light component. As illustrated, λ 2 , λ 3 , and λ 4 may represent, for example, SERS labeling spectra corresponding to three different target substances, and in reality, a spectrum consisting of several bands, not one band, is distinguished from each other. Means. In (c) of FIG. 4, the central wavelength component and the scattered light component are separated from the output light through an optical filter. In FIG. 4C, the scattered light component passing through the optical filter is illustrated, and in FIG. 4C-2, the central wavelength component reflected by the optical filter is schematically illustrated. In FIG.4 (d), the example which uses the said center wavelength component and the said scattered light component isolate | separated from the said output light is represented typically. 4 (d-1) shows an example used for SERS analysis. In the SERS analysis, quantitative analysis is performed to analyze the appearance of the target substance and the components of the target substance. That is, the wavelength shift and intensity change of the scattered light component having a wavelength of λ 2 to λ 4 are analyzed. 4 (d-2) shows an example used for LSPR analysis. In the LSPR analysis, a change in the surface plasmon resonance angle and a change in the intensity of reflected light according to the target material can be analyzed in the sensor unit. In addition, the above-described surface plasmon resonance angle change can be observed as a change with time, which can be shown in the form of a sensogram in FIG. In the sensogram, a phenomenon in which the target material is adsorbed and desorbed on the metal nanoparticles in the optical fiber, which is a sensor, may be detected in real time. LSPR analysis and SERS analysis methods and techniques described herein are well known to those skilled in the art corresponding to known analysis methods, and thus detailed descriptions thereof will be omitted.
상술한 바와 같이, 본 출원의 일 실시 예에 따르는 광섬유 기반의 센서 시스템에 있어서, 입사광의 중심 파장에 대응하는 출력광의 중심 파장 성분 λ1은 광필터에서 반사되고, 광 검출기를 통해 검출됨으로써 반사광의 세기가 측정될 수 있다. 그리고, LSPR 측정 결과에 의해 나타나는 입사광 대비 출력광의 중심 파장에서의 광세기 변화(λ0 대비 λ1의 세기)를 통해 센서부의 광섬유 표면에서의 표적 물질과의 반응을 정량적으로 파악할 수 있다. 한편, 출력광의 중심 파장 성분 λ1을 제외한 산란광 성분은 광필터를 통과하여 분광계에서 측정될 수 있다. SERS 측정 결과에 의해 나타나는 상기 산란광 성분의 파장 변화를 통해서는 센서부의 광섬유 표면의 표적 물질과의 반응을 정성적으로 파악할 수 있다. 이와 같이, 본 출원의 일 실시 예에 따르는 광섬유 기반의 센서 시스템에 의하면, 센서부의 광섬유 표면 상에서 발생하는 반응에 대한 LSPR 측정 및 SERS 측정을 단일 광원을 통해 동시에 수행할 수 있다. 또한 다수의 광섬유 상에 서로 다른 표지 물질을 형성하여 측정 시료 내의 다수의 표적 물질을 동시에 다중 측정할 수 있다.As described above, in the optical fiber based sensor system according to the exemplary embodiment of the present application, the central wavelength component λ 1 of the output light corresponding to the center wavelength of the incident light is reflected by the optical filter, and is detected by the photo detector, thereby detecting the reflected light. Intensity can be measured. In addition, it is possible to quantitatively grasp the reaction with the target material on the optical fiber surface of the sensor unit through the light intensity change (the intensity of λ 1 compared to λ 0 ) at the central wavelength of the output light versus the incident light indicated by the LSPR measurement result. On the other hand, the scattered light component except for the central wavelength component λ 1 of the output light can be measured in the spectrometer by passing through the optical filter. Through the wavelength change of the scattered light component indicated by the SERS measurement result, it is possible to qualitatively grasp the reaction with the target material on the surface of the optical fiber of the sensor unit. As such, according to the optical fiber based sensor system according to the exemplary embodiment of the present application, LSPR measurement and SERS measurement on a reaction occurring on the optical fiber surface of the sensor unit may be simultaneously performed through a single light source. In addition, different labeling materials may be formed on a plurality of optical fibers to simultaneously measure multiple target materials in a measurement sample.
100: 광섬유 기반의 센서 시스템, 110: 센서부, 120: 광원, 130: 광도파관, 140: 광필터, 150: 측정부, 152: 광검출기, 154: 분광계, 170 180 190: 광섬유, 172 182 192: 금속 나노 입자, 174 184 194: 표지물질, 176 186 196: 표적물질.100: optical fiber based sensor system, 110: sensor unit, 120: light source, 130: optical waveguide, 140: optical filter, 150: measuring unit, 152: photodetector, 154: spectrometer, 170 180 190: optical fiber, 172 182 192 : Metal nanoparticles, 174 184 194: labeling substance, 176 186 196: target substance.

Claims (11)

  1. 광섬유 기반의 센서 시스템에 있어서,
    한 끝단의 단면에 금속 나노 입자가 배치되는 광섬유를 적어도 하나 이상 구비하는 센서부;
    상기 센서부에 대하여 단색 파장(λ0)의 입사광을 제공하는 광원;
    상기 센서부와 상기 광원 사이에서 빛을 전달시키는 광도파관;
    상기 입사광이 상기 금속 나노 입자에 조사되어 상기 센서부에서 방출되는 출력광으로, 상기 출력광은 상기 단색 파장(λ0)에 대응하는 중심 파장(λ1)과, 상기 금속 나노 입자에 의하여 흡수 또는 산란된 파장 성분을 포함하는 출력광을 제공받아 상기 출력광의 중심 파장(λ1) 부분은 반사시키고, 상기 출력광의 나머지 부분은 통과시킴으로써 상기 출력광을 분리시키는 광필터(optical filter); 및
    상기 분리된 출력광의 상기 중심 파장(λ1) 부분 및 상기 나머지 부분을 각각 수렴하는 측정부를 포함하되, 상기 반사된 출력광의 중심 파장(λ1) 부분은 국부화 표면 플라즈몬 공명(Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR) 분석에 적용하고, 상기 출력광의 나머지 부분을 표면 증강 라만 산란(Surface Enhanced Raman Scattering, SERS) 분석에 적용하는 광섬유 기반의 센서 시스템.
    In the optical fiber based sensor system,
    A sensor unit including at least one optical fiber in which metal nanoparticles are disposed at one end of the cross section;
    A light source for providing incident light having a monochromatic wavelength λ 0 to the sensor unit;
    An optical waveguide for transmitting light between the sensor unit and the light source;
    The incident light is output light emitted from the sensor unit by being irradiated to the metal nanoparticles, and the output light is absorbed or absorbed by the center wavelength λ 1 corresponding to the monochromatic wavelength λ 0 and the metal nanoparticles. An optical filter for receiving output light including scattered wavelength components to reflect a central wavelength λ 1 portion of the output light and to pass the remaining portion of the output light to separate the output light; And
    And a measuring unit configured to converge the central wavelength λ 1 portion and the remaining portion of the separated output light, respectively, wherein the central wavelength λ 1 portion of the reflected output light includes a localized surface plasmon resonance. LSPR) and the remaining portion of the output light is applied to Surface Enhanced Raman Scattering (SERS) analysis.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 광필터는 노치 필터 또는 에지 필터인 광섬유 기반의 센서 시스템.
    The method according to claim 1,
    And the optical filter is a notch filter or an edge filter.
  3. 삭제delete
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 측정부는 상기 광필터에서 반사되는 상기 출력광의 상기 중심 파장(λ1)부분을 수렴하는 광 검출기 및 상기 광필터를 통과하는 상기 출력광의 상기 나머지 부분을 수렴하는 분광계를 포함하는 광섬유 기반의 센서 시스템.
    The method according to claim 1,
    The measuring unit includes an optical detector that converges the central wavelength (λ 1 ) portion of the output light reflected by the optical filter and a spectrometer that converges the remaining portion of the output light passing through the optical filter. .
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 광 검출기는 상기 출력광의 상기 중심 파장(λ1) 부분을 국부화 표면 플라즈몬 공명 정량 분석에 적용하고, 상기 분광계는 상기 출력광의 상기 나머지 성분을 표면 증강 라만 산란 정성 분석에 적용하는 광섬유 기반의 센서 시스템.
    5. The method of claim 4,
    The optical detector applies the central wavelength (λ 1 ) portion of the output light to localized surface plasmon resonance quantitative analysis, and the spectrometer applies the remaining components of the output light to surface enhanced Raman scattering qualitative analysis. system.
  6. 제5항 있어서,
    상기 국부화 표면 플라즈몬 공명 정량 분석 및 상기 표면 증강 라만 산란 정성 분석은 상기 단색의 입사광으로부터 동시에 수행되는 광섬유 기반의 센서 시스템.
    6. The method of claim 5,
    Wherein said localized surface plasmon resonance quantitative analysis and said surface enhanced Raman scattering qualitative analysis are performed simultaneously from said monochromatic incident light.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 금속 나노 입자는 약 50 nm 의 금 나노 입자이며, 상기 금 나노 입자 상에는 표지 물질이 형성되는 광섬유 기반의 센서 시스템.
    The method according to claim 1,
    The metal nanoparticles are gold nanoparticles of about 50 nm, and a labeling material is formed on the gold nanoparticles.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 센서부는 복수의 광섬유를 포함하며, 상기 복수의 광섬유는 서로 다른 표지 물질이 형성된 복수의 상기 금속 나노 입자를 구비하는 광섬유 기반의 센서 시스템.
    The method according to claim 1,
    The sensor unit includes a plurality of optical fibers, wherein the plurality of optical fibers comprises a plurality of the metal nanoparticles are formed with a different labeling material.
  9. 광섬유 기반의 센서 시스템을 이용한 광신호 측정 방법에 있어서,
    (a) 한 끝단의 단면에 금속 나노 입자가 배치되는 광섬유를 적어도 하나 이상 구비하는 센서부를 준비하는 단계;
    (b) 상기 센서부에 대하여 단색의 입사광을 제공하는 단계;
    (c) 상기 입사광을 제공받아 상기 금속 나노 입자에 조사하여 상기 센서부에서 방출되는 출력광으로, 상기 출력광은 상기 단색 파장(λ0)에 대응하는 중심파장(λ1)과, 상기 금속 나노 입자에 의하여 흡수 또는 산란된 파장 성분을 포함하는 출력광을 수렴하고, 광필터에 의하여 상기 입사광의 중심 파장에 대응하는 상기 출력광의 중심 파장(λ1) 부분을 반사시키고, 상기 입사광의 상기 중심 파장을 제외하는 나머지 부분을 통과시키는 단계; 및
    (d) 상기 중심 파장에 대응하는 상기 출력광의 상기 중심 파장(λ1) 부분을 광 검출기를 통하여 수렴하고, 상기 중심 파장을 제외하는 상기 나머지 부분을 분광계를 통하여 수렴하는 단계를 포함하되, 상기 출력광의 상기 중심 파장(λ1) 부분에 대하여 국부화 표면 플라즈몬 공명 신호 측정을 수행하는 과정과 상기 출력광의 상기 나머지 부분에 대하여 표면 증강 라만 산란 신호 측정을 수행하는 과정을 포함하는 광섬유 기반의 센서 시스템을 이용하는 광신호 측정 방법.
    In the optical signal measuring method using the optical fiber based sensor system,
    (a) preparing a sensor unit having at least one optical fiber in which metal nanoparticles are disposed in a cross section of one end;
    (b) providing monochromatic incident light to the sensor unit;
    (c) output light emitted from the sensor unit by receiving the incident light and irradiating the metal nanoparticles, the output light having a central wavelength λ 1 corresponding to the monochromatic wavelength λ 0 and the metal nanoparticles; Converging the output light including the wavelength component absorbed or scattered by the particles, reflecting the portion of the central wavelength (λ 1 ) of the output light corresponding to the central wavelength of the incident light by an optical filter, and the center wavelength of the incident light Passing the remaining portion except for; And
    (d) converging the central wavelength lambda 1 portion of the output light corresponding to the central wavelength through a photo detector and converging the remaining portion excluding the central wavelength through a spectrometer, wherein the output Performing a localized surface plasmon resonance signal measurement on the central wavelength (λ 1 ) portion of the light and performing a surface enhanced Raman scattering signal measurement on the remaining portion of the output light; Optical signal measuring method used.
  10. 삭제delete
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 (d)단계에 있어서, 상기 출력광의 상기 중심 파장(λ1) 부분에 대하여 국부화 표면 플라즈몬 공명 신호 측정을 수행하는 과정과, 상기 출력광의 상기 나머지 성분에 대하여 표면 증강 라만 산란 신호 측정을 수행하는 과정은 동시에 수행되는 광신호 측정 방법.
    10. The method of claim 9,
    In the step (d), performing a localized surface plasmon resonance signal measurement for the central wavelength (λ 1 ) portion of the output light, and performing a surface enhanced Raman scattering signal measurement for the remaining components of the output light The optical signal measuring method is performed at the same time.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103630515B (en) * 2013-12-17 2015-09-30 哈尔滨工程大学 A kind of nano Au particle sensor and preparation method thereof
KR101816714B1 (en) 2016-11-15 2018-01-11 광주과학기술원 A reusable optical fiber aptasensor based on photo-thermal effect
KR102286162B1 (en) * 2017-05-10 2021-08-06 한국전자통신연구원 Apparatus and method for processing bio optical signal using spread spectrum
CN108152267B (en) * 2018-01-31 2020-05-01 西北工业大学 Method for efficiently exciting surface-enhanced Raman scattering of metalized optical fiber

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005524849A (en) 2002-05-07 2005-08-18 ノースウエスタン ユニバーシティ Nanoparticle probes for analyte detection with fingerprints for Raman spectroscopy
JP2005309295A (en) 2004-04-26 2005-11-04 Nec Corp Element, device, and system for optical amplification

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005524849A (en) 2002-05-07 2005-08-18 ノースウエスタン ユニバーシティ Nanoparticle probes for analyte detection with fingerprints for Raman spectroscopy
JP2005309295A (en) 2004-04-26 2005-11-04 Nec Corp Element, device, and system for optical amplification

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Lee, H. et al. Journal of the Korean Sensors Society. 2009. Vol. 18, No. 3, pp. 226-233. *
Liu, Y. et al. Review of Scientific Instruments. March 2010. Vol. 81. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101333482B1 (en) * 2012-03-08 2013-11-26 단국대학교 산학협력단 Measuring system for biological materials based on Surface Plasmon Scattering and Resonance

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